Aufgabensammlung Technische Thermodynamik

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Aufgaben zu Abschnitt 1: Thermodynamische Grundbegriffe

   Martin Dehli

   Das Kapitel 'Thermodynamische Grundbegriffe' behandelt grundlegende Konzepte der Thermodynamik und bietet praktische Aufgaben zur Vertiefung des Verständnisses. Dabei werden verschiedene thermodynamische Prozesse untersucht, wie die Berechnung von Massenströmen bei der Beheizung eines Einfamilienhauses, die Umrechnung von Temperaturen zwischen Fahrenheit und Celsius sowie die Analyse von Stoffmengen bei chemischen Reaktionen. Ein weiteres Thema ist die Verflüssigung von Erdgas und die Berechnung der entsprechenden Volumina. Besonders interessant sind die detaillierten Lösungen und die praxisnahen Beispiele, die das theoretische Wissen anschaulich machen und den Lesern helfen, komplexe thermodynamische Probleme zu verstehen und zu lösen.

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3. Aufgaben zu Abschnitt 2: Der erste Hauptsatz der Thermodynamik

   Martin Dehli

   Das Kapitel behandelt die Anwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik anhand verschiedener Aufgabenstellungen. Es werden Probleme aus der Praxis, wie die Berechnung von Wärmeströmen und mechanischen Leistungen, detailliert erläutert und gelöst. Dabei werden verschiedene Szenarien, wie die Erwärmung von Luft in einer Lüftungsanlage oder die Berechnung von Wärmeleistungen in einem Sudkessen, praxisnah dargestellt. Die Lösungen sind so aufbereitet, dass sie sowohl für Studenten als auch für erfahrene Ingenieure verständlich und nachvollziehbar sind. Besonders hervorhebenswert ist die Kombination aus theoretischen Grundlagen und praktischen Anwendungen, die ein umfassendes Verständnis der Thermodynamik vermittelt.

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4. Aufgaben zu Abschnitt 3: Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

   Martin Dehli

   Das Kapitel 'Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik' behandelt verschiedene Aufgabenstellungen, die sich mit der Anwendung thermodynamischer Prinzipien in realen Systemen beschäftigen. Es werden Prozesse wie die Erwärmung von Flüssigkeiten, die Berechnung von Entropieänderungen und die Analyse von Wärmeübertragungen in geschlossenen und offenen Systemen detailliert erläutert. Besondere Aufmerksamkeit wird auf die Berechnung von Massen- und Wärmeströmen, die Bestimmung von Entropieänderungen und die Unterscheidung zwischen reversiblen und irreversiblen Prozessen gelegt. Die Lösungen sind so gestaltet, dass sie sowohl theoretische Grundlagen als auch praktische Anwendungen verdeutlichen, was den Text besonders wertvoll für Fachleute macht, die ihre Kenntnisse in Thermodynamik vertiefen möchten.

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5. Aufgaben zu Abschnitt 4: Ideale Gase

   Martin Dehli

   Zusammenfassung

   Ein ideales Gas weist die spezielle Gaskonsante R = 0,18892 kJ/(kg K) auf. Bei einer Zustandsänderung ist der mittlere Isentropenexponent zu \(\kappa_{m} = 1,2542\) gegeben.

6. Aufgaben zu Abschnitt 5: Reale Gase und Dämpfe

   Martin Dehli

   Das Kapitel behandelt Aufgaben zur Abschnitt 5: Reale Gase und Dämpfe. Es werden verschiedene technische Anwendungen und theoretische Konzepte der Thermodynamik erläutert, insbesondere die Berechnung von Massenströmen, Volumenstromen und thermischen Zustandsänderungen von Gasen und Dämpfen. Praktische Beispiele und Lösungen zu komplexen thermodynamischen Problemen sind enthalten. Die Aufgaben reichen von der Kondensation von Ethylalkohol in einer Anlage bis hin zur isenthalpen Drosselung von Wasserdampf in einer Turbine. Besonders hervorhebenswert ist die detaillierte Herleitung und Anwendung der Van-der-Waals-Gleichung sowie die Behandlung von realen Gasen und Dämpfen in industriellen Prozessen. Die Aufgaben und Lösungen sind praxisnah und bieten tiefe Einblicke in die thermodynamischen Grundlagen.

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7. Aufgaben zu Abschnitt 6: Thermische Maschinen

   Martin Dehli

   Das Kapitel behandelt verschiedene Aufgaben und Lösungen im Bereich thermischer Maschinen. Es beginnt mit der Berechnung von Druckänderungen und Temperaturen bei einem Dieselmotor und setzt sich fort mit der Analyse von idealen und realen Verdichtungsprozessen. Besonders hervorzuheben ist die detaillierte Betrachtung der Unterschiede zwischen idealen und realen Prozessen, die durch die Berücksichtigung von Reibungsverlusten und irreversiblen Effekten gekennzeichnet sind. Dies ermöglicht eine fundierte Analyse und Optimierung von thermischen Maschinen und Anlagen. Weiterhin werden verschiedene Verdichtungsprozesse und deren Auswirkungen auf die Leistung und Effizienz untersucht, was für die Praxisanwendung und die Optimierung von Verdichtern von großer Bedeutung ist.

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8. Aufgaben zu Abschnitt 7: Kreisprozesse

   Martin Dehli

   Zusammenfassung

   Für die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung in einem mit Biogas betriebenen Blockheizkraftwerk (BHKW) in Brandenburg wird ein Viertakt-Verbrennungsmotor nach dem Gas-Otto-Verfahren eingesetzt. Dessen idealer Vergleichsprozess ist der Otto-Prozess; dieser wird durch zwei isentrope Zustandsänderungen 12 und 34 sowie durch zwei isochore Zustandsänderungen 23 und 41 dargestellt (Bild 7.1). Es wird Luft als Arbeitsmittel mit der Masse m = 12,3 g verwendet (Luft als ideales Gas mit R = 0,2872 kJ/(kgK), c_p = 1,005 kJ/(kgK), \(c_{\upsilon }\) = 0,718 kJ/(kgK) und \(\kappa\) = 1,4).

9. Aufgaben zu Abschnitt 8: Exergie

   Martin Dehli

   Der Fachbeitrag behandelt die Berechnung von Exergie und spezifischen Wärmeänderungen in thermodynamischen Systemen. Es werden verschiedene Aufgabenstellungen und Prozesse detailliert erläutert, um ein tiefes Verständnis für die Energieeffizienz und Wärmeübertragung in technischen Anwendungen zu vermitteln. Dabei werden sowohl theoretische Grundlagen als auch praktische Anwendungen berücksichtigt. Ein Schwerpunkt liegt auf der Berechnung der Exergie von Stickstoff und Dieselmotoren sowie auf der Optimierung von thermodynamischen Prozessen. Besonders hervorhebenswert ist die detaillierte Darstellung der Berechnungsmethoden und die Veranschaulichung durch praxisnahe Beispiele. Der Beitrag bietet somit eine umfassende Ressource für Fachleute und Studierende im Bereich der Thermodynamik und Energietechnik.

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10. Aufgaben zu Abschnitt 9: Wärmeübertragung

    Martin Dehli

    Zusammenfassung

    Ein Luftstrom von \(\dot{m}_{L} = 1246\) kg/h mit einer Eintrittstemperatur von t₁ = 80 °C wird in einem Gegenstrom-Wärmeübertrager durch einenWasserstrom von \(\dot{m}_{W} = 1500\) kg/h mit einer Eintrittstemperatur von \(t_{1}{\prime}\) = 10 °C gekühlt. Die Wärmeübergangskoeffizienten betragen auf der Luftseite \(\alpha_{L}\) =58 W/(m² K) und auf der Wasserseite \(\alpha_{W}\) = 2320 W/(m² K). Die ebene Trennwand hat eine Dicke von \(\delta\) = 5 mm und eine Wärmeleitfähigkeit von λ = 46 W/(m K). Die wärmeübertragende Oberfläche ist auf beiden Seiten jeweils A = 7,4 m².

11. Aufgaben zu Abschnitt 10: Feuchte Luft

    Martin Dehli

    Zusammenfassung

    Beim Druck p₁ = 1,2 bar wird ein Massenstrom von \(\dot{m}_{1}\) = 0,6 kg/s feuchter Luft mit der Eintrittstemperatur t₁ = 35 °C und der relativen Feuchte φ₁ = 0,30 in einer Kälteanlage gekühlt. Die Wärmeübertragungsfläche A = 7 m² hat überall die gleichbleibende Temperatur \(\vartheta_{0}\) = 4 °C. Der Wärmeübergangskoeffizient auf der Luftseite beträgt \(\alpha_{L}\) = 75 W/(m² K) (vgl. Bild 10.1: nur qualitative Darstellung, da p₁ \(\ne\) p Diagramm).

12. Aufgaben zu Abschnitt 11: Verbrennung

    Martin Dehli

    Der Fachtext behandelt die Verbrennung von Biomasse und anderen Brennstoffen unter verschiedenen Bedingungen. Es werden detaillierte Berechnungen zur Bestimmung des spezifischen Mindestsauerstoffbedarfs, des spezifischen Luftbedarfs und der Verbrennungsgasmenge vorgenommen. Besondere Aufmerksamkeit wird auf die Berechnung des Heizwerts und die Analyse der Verbrennungsgasmenge gelegt. Praktische Beispiele und Übungsaufgaben veranschaulichen die theoretischen Konzepte und ermöglichen eine vertiefte Auseinandersetzung mit den Verbrennungsprozessen.

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13. Aufgaben zu Abschnitt 12: Chemische Thermodynamik

    Martin Dehli

    Das Kapitel zur chemischen Thermodynamik umfasst mehrere Aufgaben zur Berechnung von thermodynamischen Größen wie dem Brennwert, Heizwert und der Bildungsenthalpie von Propan und Methan. Es werden detaillierte Schritt-für-Schritt-Lösungen bereitgestellt, die auf experimentellen Daten und thermochemischen Standardzuständen basieren. Ein weiteres Thema ist die Ammoniaksynthese, bei der die Gleichgewichtskonstante und die Reaktionsenthalpie in Abhängigkeit von Temperatur und Druck berechnet werden. Zudem wird der Exergieverlust bei der Verbrennung von Methan analysiert, wobei die molaren isobaren Wärmekapazitäten der Verbrennungsgase berücksichtigt werden. Diese Aufgaben sind von besonderer Bedeutung für diejenigen, die ihre Kenntnisse in der thermodynamischen Berechnung vertiefen möchten.

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14. Backmatter